Wie Stromversorgungslösungen mit dem Mooreschen Gesetz mithalten können

Bei der Bewertung eines Systems (oder mehrerer Systeme) im Hinblick auf Stromversorgungslösungen, Stromversorgungen und andere Analysen im Bereich Energieverbrauch, Energieeffizienz oder Energiespeicherung ist es hilfreich, Quellen und Lasten voneinander zu trennen. In der einfachsten Form bedeutet dies die Trennung der Stromversorgungen von den Endverbrauchern, die den von diesen Quellen bereitgestellten Strom nutzen. Stellen Sie sich Quellen und Lasten als unabhängige Blackboxen vor, die miteinander „kommunizieren“. Die nachstehende Abbildung zeigt eine schematische Darstellung eines Systems, in diesem Fall eine Computer- oder Serverarchitektur, welche die Unterschiede zwischen den typischen Quellen und Lasten im System hervorhebt.


Diese Unterscheidung ist besonders wichtig, wenn es darum geht, das technologische Tempo in komplexen Systemen mit zahlreichen Systemkomponenten zu verstehen, die von Faktoren wie Technik, Fertigung und Lieferkette beeinflusst werden. Exponentielle Verbesserungen, sei es bei der Transistordichte, Leistungsdichte oder Energieeffizienz, sind stärker mit der Lastseite als mit der Quellenseite verknüpft. Komponenten auf der Quellenseite wie Magnetik, Leistungstransistoren und Energiespeicherung entwickeln sich langsamer als Niederspannungshalbleiter.

Das Entwicklungstempo für Elektronik und elektrische Geräte orientiert sich häufig am Mooreschen Gesetz [2], das eher als wirtschaftlicher Trend denn als technische Skalierungsregel gilt. In der Elektronikindustrie besteht jedoch die allgemeine Auffassung, dass Systemkomponenten, Lieferketten und technische Entwicklungen diesem Leistungsverdopplungszyklus alle 18-24 Monate folgen.

Neben der Transistor-Skalierung gibt es einen weiteren Trend, der eine Reduzierung des Systemleistungsbudgets fördert. Während das [Mooresche Gesetz die Logik in exponentiellem Tempo schrumpfen lässt, ermöglichen mikroelektromechanische Systeme (MEMS) [3] die Miniaturisierung von Sensoren].

Die Auswirkungen unterscheiden sich jedoch:

• Das Mooresche Gesetz erhöht die Lastleistung, da mehr Transistoren die Leistungsdichte steigern
• MEMS reduzieren die Lastleistung, da Anwendungen nicht zwangsläufig mehr Sensoren benötigen

Mit der Verkleinerung von Transistorstrukturen sinkt auch die Schwellenspannung, sodass ICs mit niedrigeren Betriebsspannungen arbeiten können. Dies führte zu einer Reduzierung der Versorgungsspannungen von ~2,5/3,3V auf ~1,2/1,5V und mittlerweile sogar <1,0V. Doch obwohl einzelne Transistoren weniger Strom verbrauchen, führt ihre zunehmende Dichte zu einer höheren Leistungsdichte und steigenden Transientenanforderungen an Stromversorgungen.

Laut zahlreichen Leistungsmanagement-Quellen sind die wichtigsten Systemkennzahlen (FOMs) Größe, Gewicht und Leistung (SWaP). In Kombination mit Kostenüberlegungen ergibt sich daraus der SWaP-C-Faktor [4]. Schrumpfende Lasten verbessern SWaP, doch für Stromversorgungslösungen gilt dies nicht in gleichem Maße.

Da sich Systemleistungsbudgets schneller reduzieren als die verfügbare Stromversorgung wächst, erfordert die Anpassung an das Mooresche Gesetz eine Fokussierung auf Energieeinsparungen anstelle größerer Stromversorgungen.

Intelligentes Energiemanagement (IPM) optimiert die Verteilung und Nutzung elektrischer Energie in Computersystemen und Rechenzentren [7].
Dazu gehören:

• Übergang von „immer an“ zu „immer verfügbar“ Stromarchitekturen
• Peak-Shaving-Techniken, die Energiespeicherung zur Abdeckung von Leistungsspitzen nutzen
• Lastkonsolidierung, um ungenutzte Subsysteme abzuschalten und die Energieeffizienz zu steigern
• Optimierte Energiezuteilung, um eine Überdimensionierung von Stromversorgungen zu vermeiden

Es ist unwahrscheinlich, dass Stromversorgungslösungen mit der Geschwindigkeit des Mooreschen Gesetzes oder MEMS-Entwicklungen Schritt halten können. Doch die Lücke zwischen verfügbarer Energie und Lastbedarf ist nicht unüberwindbar. Durch intelligentes Energiemanagement, Energiespeicherung und fortschrittliche Verpackungstechniken können Ingenieure weiterhin von den Fortschritten des Mooreschen Gesetzes profitieren.

3D Power Packaging (3DPP^®) und andere innovative Technologien spielen eine Schlüsselrolle bei der Verbesserung der Leistungsdichte und Systemeefizienz, um Stromversorgungslösungen an die sich verändernden Anforderungen anzupassen. Die Integration von IPM-Strategien, MEMS und Leistungsschaltern treibt die nächste Generation von Hochleistungselektronik voran.

[1] B. Zahnstecher, “Best Practices for Low-Power (IoT/IIoT) Designs: SEPARATING THE SOURCE-SIDE & LOAD-SIDE ANALYSES,” ECCE 2022 Tutorial, Detroit, MI, October 9, 2022.
[2] Wikipedia contributors, "Moore's law," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Moore%27s_law&oldid=1139518707 (accessed February 24, 2023).
[3] Wikipedia contributors, "Microelectromechanical systems," Wikipedia, The Free Encyclopedia, https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Microelectromechanical_systems&oldid=1139870714 (accessed February 24, 2023).
[4] “Power Supply Design for maximum Performance,” RECOM Blog, Oct 21, 2022, https://recom-power.com/rec-n-power-supply-design-for-maximum-performance-229.html (accessed February 15, 2023).
[5] E. Shelton, P. Palmer, A. Mantooth, B. Zahnstecher, G. Haynes, “WBG Devices, Circuits and Applications,” APEC 2018 Short Course, San Antonio, TX, March 4, 2018.
[6] “DC/DC for GaN,” RECOM Blog, Sep 16, 2022, https://recom-power.com/rec-n-dc!sdc-for-gan-225.html (accessed January 23, 2023).
[7] Data Center Facilities Definitions, "Intelligent Power Management (IPM)," TechTarget, https://www.techtarget.com/searchdatacenter/definitions/Data-center-design-and-facilities (accessed February 24, 2023).